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分析基于LT3573隔离型反激式DC-DC开关电源设计

1 引言

自从1994年单片开关电源问世以来,为开关电源的推广和普及创造了条件。开关电源的应用涉及到各种电子电器设备领域,如程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋般,不断问世,使得开关电源的应用日益普及。开关电源高频化是其发展的方向,从最初的20kHz提高到现在的几百kHz甚至几兆赫兹,高频化带来开关电源的小型化。目前,开关电源正朝着高效节能、安全环保、小型化、轻便化方向发展。

2 LT3573简介

LT3573是一种单片开关稳压器件,专为隔离型反击式拓扑结构而设计。在隔离型反激拓扑结构中,变压器原边电路需要时时感知到副边输出电压的变化信息,以便维持输出电压稳定。在以往的电路拓扑结构中,常常采用光电耦合器件或者另外增加变压器绕组,来得到输出电压反馈信息。光电耦合器件存在的问题是:①耗费输出功率;②成本增加,电路结构便得复杂;③有限的动态响应、器件非线性、老化等,都会带来麻烦。

另外若新增变压器或变压器绕组,无形就会使变压器物理尺寸变大,成本增加,其动态响应也不怎么样好。而LT3573则无需外接光电耦合器件或第三绕组,其特有的内置反激误差放大器,在二次侧绕组电流为零时,反激误差放大器开始取样输出电压信息,直接从变压器原边的反激电压波形检测输出电压的变化信息,自动维持输出电压的稳定性,这也是此IC设计的亮点之所在。反激电压由于RFB和Q2的作用,变换成电流,这个电流几乎全部流过电阻RREF,形成反馈电压,进入反激误差放大器,并与其1.22V的参考电压进行比较,以便后续电路能调整开关管的占空比,达到稳定输出电压的目的,如图1所示。

图1

LT3573内部拓扑结构框图

一个1.25A 、60V的NPN型功率开关管以及全部控制逻辑单元都集成到一个16引脚MSOP封装的LT3573内部。极大地简化了该集成块应用的外围电路设计工作,在3V"40V的输入电压范围内工作,最大输出功率值可达7W。可应用于需要隔离型电源的众多领域,比如工业、医疗、数据通信、汽车应用、低功率PoE和VoIP电话接口等。

LT3573工作于边界模式,与对等的连续传导模式设计相比较,边界模式工作允许使用较小的变压器。

3 钳位电路的设计

变压器漏感Lsl(无论原边还是副边),如图2所示,会在原边引起一个电压尖峰出现。当输出开关关闭后,这个尖峰随着更高的负载电流越来越尖,这就需要选择能量吸收网络消耗掉漏感中储存的能量。在大多数情况下,需要用缓冲电路,以避免过压击穿输出开关节点。所以,变压器漏感应尽量减少。

(1)

ISEC —变压器二次侧电流 ;

ESR —二次回路的总阻抗;

NPS —变压器有效的原副边匝数比;

VOUT — 输出电压。

这个电压和输入电压之和(VIN VFLBK)直接加到了功率开关管Q1的集电极上,容易造成功率开关管Q1的二次击穿而损坏。为了钳位电压尖峰值在开关管的额定值以内,最常用RCD吸收电路,使得开关管关断期间,储存在漏感中的能量转移到吸收网络电容C1里,并且最终消耗在电阻R1上,如图2所示。

图2 RCD吸收电路图

这里的钳位二极管D1开关速度要足够快,否则,开关管关断瞬间,漏感尖峰无法及时传递到电容C1上而会在开关管Q1集电极产生瞬间高压,如图3所示。因此,肖特基二极管通常是最好的选择。

图3 开关管Q1集电极电压波形示意图

一旦钳位二极管D1开通,漏感电流就会被C1吸收,吸收时间不得长于150ns,如图3所示的tSP<150ns,否则,会干扰输出电压的稳定性。

吸收电阻R1影响电压尖峰幅度Vc和持续时间tSP,tSP时间不能过长,否则会引起检测输出电压失真,如图所示。

4 开关变压器设计

4.1原边最小电感量

因为LT3573通过检测开关变压器原边反激脉冲波来调整隔离输出电压。当二次侧绕组传导电流时,LT3573就从SW引脚获得输出电压信息,这时,取样电路需要一个最低限度的时间取样输出电压。为了保证足够的取样时间,原边就需要保持一个最低电感值LPRI。该电感值计算公式如下:

(2)

toff ( MIN) =

350ns,开关管最小关断时间;

IMIN = 250mA,转换器的最低电流限制。

4.2变压器匝数比

一般来说,选择变压器匝数比,是为了最大限度地获得输出功率,也可使转换器有足够的电流处理能力,但是匝数比不能太大了。对于低输出电压(3.3V或5V)来说,用原边匝数数倍于副边匝数(N:1)以最大化变压器的电流增益(和输出功率),此时SW引脚的电压等于最大输入电源电压加上输出电压乘以匝数比的和。这个数值必须保持在SW引脚的VSW (MAX)值之下,以防止内部电源开关管崩溃。综合这些条件,对某一特定应用来说,需要设置一个匝数比的上限值N,选择一个匝数比足够低的变压器。

(3)

表1 开关电压应力和输出电流能力与匝数比

5 实际应用电路及仿真分析

仿真实验电路如图4所示,采用12V输入电压,开关变压器原副边的绕组匝数比设为3:1,RREF引脚外接对地参考电阻,阻值一般设为6.04k,此电阻值不能偏离6.04k过大,一般百分之几的变化是可以接受的,否则,会引起大的输出电压误差。RFB为外部反馈电阻器的输入引脚,此处阻值设为80.6k。此引脚连接到变压器的原边(Vsw)。这个电阻与RREF电阻的比值,决定了输出电压(加上任何非一体化的变压器匝数比的影响)。在反激期间,通过这个电阻的平均电流大约为200μA 。也可以用如下公式来确定RFB与RREF之间的关系:

(4)

VTC — 0.55V;

VBG —内部带隙基准电压。

图4 实际应用电路示例

Tc引脚内部连接了一个正温度系数电流源到RREF引脚,引脚外部接输出电压温度补偿电阻,产生的电流正比于绝对温度,仿真时阻值设为28.7k。RILIM 最大电流限制调整引脚,用一个10k的电阻就可以让LT3573达到最大工作电流能力。 /UVLO为关断/欠压闭锁引脚,连接到Vin的电阻分压器固定在此引脚上,以便提供LT3573工作的最低输入电压。当电压低于约0.7V时,内部电路几乎没有静态电流。当>0.7V且<1.25V时 ,该部分将有10μA的电流,但内部电路将继续关闭。当>1.25V时,内部电路将开启并且有10μA电流将输入SS引脚。

电路仿真各个关键电位的波形如图5所示。从波形图上可以验证,边界模式每个周期让二次侧电流归零,这样寄生电阻的电压降不会导致负载稳定性误差。电路可稳定输出5V直流电压,0.5A的直流电流,额定功率达到2.5W。输入电压为12V时,开关管Q1最大电压应力约28V,符合预定设计目标。

图5 电路仿真关键点波形

6 结束语

此种电路设计的亮点在于没有使用光电耦合器件,或变压器,或变压器绕组,而是靠检测开关管集电极电压波形来稳定输出电压,简化了外围电路,既避免了电路额外的功率损耗,同时又增加了电路的可靠性。